régulation du milieu intérieur et des espaces...
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Régulation du milieu intérieur et des espaces hydriques et thermorégulation
PACES UE 3 Organisa0on des et systèmes
UFR Sciences médicales et pharmaceu0ques de Besançon
Pr. J. Regnard Physiologie 2012 – 2013
du grec : thermos = chaleur et regylas = maintenir un équilibre (en adaptant des fonctions)
Voir aussi homéostasie (homeo = identique, constant et stasis = arrêt, maintien)
Thermorégulation
UFC – UFR SMP PACES 2011-‐2012 UE3-‐ thermorégula0on -‐ 2
Physiologie humaine – H Guénard - Editions Pradel, 2009 Physiologie Humaine – D Unglaub Silverton – Pearson Education, 2007 Précis de physiologie médicale – AC Guyton & JE Hall – Piccin, 2003 Physiologie humaine – LL Sherwood – De Boeck, 2006
Pour compléter
Plan (1)
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1. Chaleur et température définitions, relations 2. La thermorégulation
- pourquoi - chez qui ectothermes et endothermes - où noyau, enveloppe, écorce de l’organisme - Sources de chaleur: métabolisme basal & autres
3. Echanges de chaleur - dans l’organisme - avec l’ambiance modalités, T opérative
4. Réponses thermorégulatrices - conservation – dissipation de la chaleur
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Plan (2) - appareil récepteurs, centres, - réponses centrales, locales
rétrocontrôles ( boucles de régulation ) intégration de signaux multiples
5. Réponses intégrées la fièvre
6. Réponses modifiées
médicaments acclimatements
Récapitulations
fonctions physiologiques concernées par la thermorégulation
Chaleur et température (1)
• Chaleur = énergie d’agita?on (J) [1J = 4,18 cal]
-‐ Mouvement de par?cules (gaz, liquides) -‐ vibra?on des atomes dans un cristal -‐ zéro absolu (0° K) absence d’agita?on
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Chaleur et température (1)
• Chaleur = énergie d’agita?on (J) [1cal = 4,18 J ]
-‐ Mouvement de par?cules (gaz, liquides) -‐ vibra?on des atomes dans un cristal -‐ zéro absolu (0° K) absence d’agita?on
• quan0té de chaleur = quan?té d’énergie = m x c x T
quan?té de ma?ère x chaleur spécifique x température
-‐ augmente (gain) ou diminue (perte) -‐ bilan -‐
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• Température = grandeur intensive (échelle) • Iden?que pour quan0tés de chaleur différentes mêmes températures (centrale, cutanée) 37 °C 33 °C
pour nourrisson 5 kg et adulte 70 kg
Même ordre de grandeur pour souris et éléphant
Chaleur et température (2)
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• Main0en à proximité d’une valeur « choisie »
• Car valeur op0male pour fonc?ons biologiques (réac?ons enzym., protéines membranaires…)
• Face à facteurs de modifica0on (gain / perte) -‐ internes : produc?on / dissipa?on de chaleur -‐ externes : ambiances chaudes / froides
• face à modifica?on de « consigne », c-‐à-‐d « nouveau réglage du thermostat »
Thermorégula0on (1)
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• Le mieux régulé (défendu) : la T° du noyau Médias?n + foie + encéphale hypothalamus
• Enveloppe (muscles) et écorce (peau & s/s peau) moins bien protégées contre varia?ons de T°
• Homéothermes (oiseaux et mammifères) et • Poïkilothermes (batraciens, rep?les, poissons, invertébrés…) : Tnoyau réglée aussi, mais sans moyens propres : eux aussi capables de fièvre (= réglage plus haut du « choix » de T° interne -‐ profonde)
• Endothermes / ectothermes
Thermorégula0on (2)
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ambiance froide / ambiance chaude
Répartition des régions proches de la température centrale
Thermorégula0on (3) Température centrale ( Thypoth, TAP, Tœs,Tre )
Exercice modéré Émotion, enfants actifs
40
39
38
37
36
Exercice intense Maladies fébriles
Zone normale habituelle
Tôt le matin temps froid
°C
D’après Guénard, 2009
Variation de la température centrale au cours du nychtémère
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Thermorégula0on (4) Température centrale
D’après Guénard, 2009
°C
38
32
44
40
28
24
Seuil vital?
Seuil vital?
Coup de chaleur Lésions cérébrales
Maladies fébriles Exercice intense
Plage habituelle de température normale
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Dépense d’énergie et chaleur
• Réac?ons métaboliques exothermiques • Métabolisme basal (fonc?onnement tous organes)
f(âge, taille, poids, sexe) à 20 ans: 5500 – 6500 kJ/24h 70 W (J/s)
• M de repos ± thermorégula?on (selon ambiance…), • M d’ac?vité musculaire, diges?ve, cérébrale • Exemples :
-‐ suivre un cours en amphi : 100 – 150 W -‐ course à pied à 10 km/h : 800 W -‐ athlète ski de fond : 1 600 W (x 22 MB)
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Produc0on endogène de chaleur
• Réac?ons métaboliques exothermiques
• Ac?vité des organes : chaleur = sous-‐produit -‐ contrac?ons cardiaques, intes?nales (diges?on), -‐ transforma?ons métaboliques hépa?que, rénale -‐ ac?vité musculaire: rendement mécanique = 20-‐25% 75 – 80% de l’énergie u0lisée chaleur ! Exercice = source thermique +++ (frisson)
• Thermogénèse faculta?ve : 0ssu adipeux brun U?lisa?on de substrats énergé?ques et d’O2 découplée de l’ac?vité métabolique, uniquement chaleur UFC – UFR SMP PACES 2011-‐2012 UE3-‐ thermorégula0on -‐ 12
Transferts de chaleur internes
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• Conduc0on : dans et entre solides L’agitaJon moléculaire se propage de proche en proche -‐ dans chaque organe -‐ aux ?ssus voisins et vers la peau (interface avec l’ambiance)
Échanges de chaleur lents
• Convec0on sanguine transferts de chaleur rapides Sang = liquide caloporteur (eau du chauffage central)
-‐ réchauffé dans les organes chauds -‐ cède la chaleur dans les régions froides -‐ transporte la chaleur entre « le noyau » et la peau
Facteurs thermiques d’ambiance et modalités d’échanges avec le corps
• Apports ou dissipa?on de chaleur (énergie) : ± Rayonnement : sans support matériel IR-‐UV-‐γ…
solaire, sources thermiques : feu, radiateur, lampe
± Conduc0on : contact entre solides échange ε vibr. ± Convec0on : contact avec renouvellement de
molécules au contact de la peau : fluides (gaz, liquide) qui augmente le débit d’échanges
-‐ Evapora0on : changement d’état eau vapeur UFC – UFR SMP PACES 2011-‐2012 UE3-‐ thermorégula0on -‐ 14
Échanges d’énergie entre le corps et l’ambiance
JC Launay 2008
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évaporation
convection
conduction
rayonnement
Ambiance thermique • Température ambiante (Ta) • Gain ou perte par rayonnement (R) • Gain ou perte par conduc?on (K) • Gain ou perte par convec?on (C) • Perte par évapora?on (E)
Température opéra?ve (To) To = Ta + effets de R, C, E
exemple : Ta = -‐ 5 °C et To = 15 °C (sans vent + gd soleil)
Pouvoir de refroidissement (PR) TA + C UFC – UFR SMP PACES 2011-‐2012 UE3-‐ thermorégula0on -‐ 16
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°C km/h 4 - 1 - 4 - 9 - 15 - 21 - 30
8 3 -‐ 3 -‐ 6 -‐ 11 -‐ 17 -‐ 24 -‐ 33
15 -‐ 2 -‐ 9 -‐ 13 -‐ 19 -‐ 26 -‐ 33 -‐ 43
30 -‐ 8 -‐ 16 -‐ 20 -‐ 27 -‐ 36 -‐ 43 -‐ 55
50 -‐ 11 -‐ 19 -‐ 24 -‐ 32 -‐ 41 -‐ 50 -‐ 63
65 -‐ 12 -‐21 -‐ 26 -‐ 34 -‐ 43 -‐ 54 -‐65
Vitesse du vent
Température d’air sous abri
Température équivalente (ressentie) en cas de vent
Calcul des échanges d’énergie
• Convec?on : C = hc x Ac x (Tsk – Ta) C = énergie transférée par convec?on Ac = surface, Tsk = T° de peau, Ta = T° ambiante
hc = coefficient d’échanges convec?fs hc = air calme 2,5 W.m-‐2.°C-‐1
eau calme 45 W.m-‐2.°C-‐1 eau froide (+mvt) 100 – 200 W.m-‐2.°C-‐1
• Conduc?on : K = hk x Ak x (Tsk – Tw) • Radia?on : K = hr x Ar x (Tsk – Tr)
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Contenu en chaleur de l’organisme
( Stock )
Tnoyau
Chaleur dissipée
Apport de chaleur
ambiance R . C . K .
R . C . K . E .
M . Therm. facult.
Activ. Musc.
M (oblig. + facult. + act.musc.) ± R ± K ± C – E – W = S . . . . . . .
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M = métabolisme-énergie et M = métabolisme-puissance (/s) .
• Détecteurs de température : thermorécepteurs • Analyse des signaux et commande : « centres » • Transmission des commandes : voies nerveuses • Effecteurs : -‐ vaisseaux sanguins contrac?on / dilata?on -‐ glandes sudoripares -‐ réserves énergé?ques glycogène, lipides -‐ ?ssu adipeux brun -‐ commande de la contrac?on musculaire
Thermorégula0on
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1) Face au risque de refroidissement
• Limiter le refroidissement
-‐ vasoconstric0on cutanée l’apport de chaleur à la peau, donc R (émission), K contact, C convexion commandée par l’ac?va?on de fibres nerveuses sympathiques : libéra?on de noradrénaline (ac?on vasoconstrictrice)
-‐ Contracture musculaire & frisson 80 % de l’énergie u?lisée pour la cion muscle chaleur U?lise des substrats énergé?ques : glucides & lipides
Réponses thermorégulatrices -‐1
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1) Face au risque de refroidissement
• Augmenter la produc0on de chaleur
-‐ thermogénèse sans frisson (faculta?ve) -‐ Tissu adipeux brun -‐ protéine découplante UCP-‐1 mitochondrie : arrêt de phosphoryla?on d’ADP en ATP -‐ ac?vée par la noradrénaline (fibres n. sympathiques) -‐ La noradrénaline et l’adrénaline libèrent les lipides de réserve (?ssu adipeux blanc) -‐ Mécanisme non ac?vé en cas de grande dénutri?on (noradrénaline non libérée )
Réponses thermorégulatrices -‐2
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une vacuole lipidique / adipocyte peu de vaisseaux
- vacuoles petites et nbses / adipocyte - nbx vaisseaux autour des adipocytes - nbses terminaisons f.n. sympathiques
noradrénaline - récepteurs ß3 sur adipocytes - nombreuses mitochondries /adipocyte - sur membrane interne, UCP-1
Tissu adipeux blanc Tissu adipeux brun
2) Face au risque de réchauffement • Augmenter la dissipa0on thermique
-‐ vasodilata0on cutanée 82 kJ/h augmente le débit sanguin cutané : si l’ambiance peut accepter la chaleur (Ta et C), augmente la thermolyse
-‐ suda0on puis évapora0on Évapora?on de la sueur = thermolyse 1L : 2 500 kJ -‐ efficace si ambiance sèche, qui peut accueillir de l’eau -‐ consomme de l’eau (du plasma sanguin) qui doit être remplacée : boire pour éviter la déshydrata?on -‐ Évapora?on dans les voies aériennes (bronches)
Réponses thermorégulatrices -‐3
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Répartition du débit et du volume sanguin selon les réponses thermorégulatrices
En ambiance froide : peau blanche la vasoconstric0on cutanée limite le débit sanguin dans la peau et donc la perte de chaleur
Au chaud : peau rouge
la vasodilata0on cutanée favorise un grand débit sanguin pour le transport de chaleur vers l’ambiance plus fraîche et/ou le refroidissement de la peau (et du sang) par évapora?on
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La vasodilatation augmente la capacité de transfert de Chaleur entre noyau et peau (dans les deux sens)
Si vasoconstriction prolongée : refroidissement de la peau puis des muscles plus profondément, c-à-d perte de chaleur par conduction > apports de chaleur par petit débit sanguin.
La vasoconstriction minimise les échanges thermiques entre le noyau et l’enveloppe, puis la peau.
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Répar00on des températures selon l’équilibre thermique
• Détecteurs de température : thermorécepteurs • Analyse des signaux et commande : « centres » • Transmission des commandes : voies nerveuses • Effecteurs : -‐ vaisseaux sanguins contrac?on / dilata?on -‐ glandes sudoripares -‐ réserves énergé?ques glycogène, lipides -‐ ?ssu adipeux brun -‐ commande de la contrac?on musculaire
Thermorégula0on
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Thermorécepteurs et « centres » • Récepteurs périphériques chaud / froid -‐ cutanés : réponse aux écarts (vitesse et distance) -‐ profonds (veine cave, moelle spinale…)
-‐ centraux SNC : hypothalamus
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Récepteurs cutanés
Réflexes thermorégulateurs Changement T ambiante Chgt. T centrale du corps
Thermorécepteurs périphériques
Thermorécepteurs hypothalamiques
centre Thermorégulateur hypothalamique
Neurones Moteurs
somatiques
sudation vasodilatation Vaso- constriction
thermogénèse sans frisson
frisson
Chaleur évaporée
Chaleur cédée à l’ambiance
Chaleur conservée
Production de chaleur
Muscles squelettiques
Neurones sympathiques
noradrénergiques
Vaisseaux sanguins cutanés
Graisse brune
Neurones sympathiques cholinergiques
Glandes sudoripares
Vaisseaux sanguins cutanés
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Effecteur
Tissu
Voie n. efférente
Réponse systémique
Récepteur
Stimulus
centres commande
« Tnoyau de consigne » « Centres »
Commande motrice
Extra-pyramidale
Le « thermostat » réponses au froid
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Tonus, puis Frisson musculaire
UCP-3
chaleur
SN sympathique
vasoconstriction
t. adipeux blanc lipolyse
t. adipeux brun thermogénine
UCP-1
Limitation dissipation thermique
Thermogénèse facultative
sans frisson
Thermorécepteurs • centraux –hypothal. • périphériques cutanés + prof.
f.n.∑
noradrénaline
1
2
3
Stimulus : refroidissement
Thypoth Tcutanée
+
+
centres commande
« Tnoyau de consigne » « Centres »
SN sympathique cholinergique
Le « thermostat » réponses au chaud
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Perte de chaleur
SN sympathique
vasodilatation facilitation dissipation thermique
Thermorécepteurs • centraux –hypothal. • périphériques cutanés + prof.
f.n.sympathiques
noradrénaline
-
+
Refroidissement du sang évaporation
Stimulus : réchauffement
Sudation
-
Zône de confort thermique
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Fonctionnement simultané de plusieurs mécanismes de régulation thermique
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Dans la même plage de températures cérébrales, mise en jeu simultanée de mécanismes de production de chaleur et de dissipation thermique
Température cérébrale (°C)
[ 1 cal = 4,18 J ] [ 1 cal/s = 4,18 W/s ]
calorie/s
Température cérébrale (°C)
La température cutanée modifie les réponses à la température cérébrale -1
Pour une même température cérébrale, la production de chaleur est moindre si la température cutanée est plus élevée
D’après Guyton AC, 2003 Benziger TH, 1969
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La température cutanée modifie les réponses à la température cérébrale -2
D’après Guyton AC, 2003 Benziger TH, 1969
Température cérébrale (°C)
Pour une même température cérébrale, le débit sudoral (et son évaporation) augmente avec l’augmentation de la température cutanée
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Parasite Plasmodium…
Bactérie
endotoxine
virus
Réaction inflammatoire
stimulation immunitaire
IL-1, IL-6, TNFa
PGE2 Changement du
« point de consigne » 37 °C 40 °C…
fièvre
Transport sanguin
La fièvre : modification du réglage du « thermostat »
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Conservation de la chaleur + thermogénèse
thermolyse
Episode fébrile
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Limites de la thermorégulation endotherme
Sujet nu : dans l’air 20 °C – 32 °C air calme, R = 0
Ta > 35 °C : débit sudoral et évaporation dans l’eau 30 °C – 35 °C eau calme Comportement : position (surface / masse),
vêtement, abri… Sinon, hypothermie / hyperthermie léthales !
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Adaptation & acclimatement Adaptation = mise en jeu des réponses fonctionnelles
adapt. positionnelle : couché debout adapt. au froid : amb. tempérée amb. froide adapt. au chaud : amb. tempérée amb. chaude
Adaptation ± bonne (performante) individuellement modifiée par diverses substances, médicaments
Ex. l’alcool (vasodilatateur) entrave l’adaptation au froid Acclimatement = efficacité des réponses fonctionnelles Ex. Froid vasoconstriction et thermogénèse facultative Ex. chaud débit sudoral (et débit cardiaque)
& modification du seuil de déclenchement des réponses adapt.
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énergie et puissance (énergie/s)
M métabolisme
R échange radiatif
K échange conductif
C échange convetif
E perte évaporatoire
W travail mécanique
S stockage ou perte
M
R
K
C
E
W
S
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